论文摘要
层板发汗冷却概念提出后的四十多年以来,已有数百种层板装置问世。层板装置是指将若干蚀刻有流动通道的金属或非金属薄片按预定的结构形式叠放,借助扩散焊或其他成型工艺,形成的一种装置。层板技术具有热防护能力强、精确分流、设计和制作灵活、便于自动化生产等优势,目前随着激光光刻技术、尤其是随着抗腐蚀的金属层板蚀刻与扩散焊技术的发展而呈现出了极大的活力。在典型层板发汗冷却装置应用于液体火箭发动机推力室热防护研究工作的带动下,层板技术应用于流体流动控制和燃料发汗喷注等方面的研究也在迅速发展。如在整个层板式流体混合器的内壁上通过相邻的层板微小缝隙,将不同的流体以交替形式实施交错分层发汗喷注,利用层板的控制流道来控制各部位的发汗喷注流强,使得各缝隙层的不同流体交错排列吹出,实现小容腔混合均匀,并可根据需要实现所期望的混合温度和压强。近二十年来,层板技术的理论研究也有一些进展,这些研究工作基本上都是围绕同一种流动介质的层板发汗冷却而开展,对不同的流体的层板交错发汗混合、发汗喷注暂未涉足,这方面的研究工作迫切需要着手开展,因此,本文对层板发汗冷却理论进行了深入研究,针对层板交错发汗孔隙与缝隙结构进行了初步的探讨,并开展了层板微小缝隙交错分层发汗喷注装置的应用研究。本文主要开展了以下几个方面的研究工作:（1）对典型层板发汗冷却技术及相关理论、国内外层板装置研究进展和层板制作经验进行了总结。回顾了国内外对层板发汗冷却技术的研究工作,对层板发汗冷却等典型层板装置以及层板式混合器、高速船推进装置等国内外新型层板装置进行了介绍,并对层板装置的制作工艺进行了简述。（2）对典型层板发汗冷却结构壁内流道流动与传热特性的研究。基于高温宏观尺度理论,建立了典型层板发汗冷却散布流道的高温传热模型,研究了求解结构层板温度和散布流道发汗介质温度的解析方法,得出了层板材料的导热系数、冷却剂参数、壁面热流流强、散布流道几何参数与结构层板温度以及热浸深度之间的关系;给出了壁内层板控制流道一般设计方法,探讨了控制流道以及主通道等流道的流阻特性。（3）基于微观尺度理论数值分析了散布流道的传热特性。以不可压缩流体或可压缩流体的N-S方程及能量方程为基础,采用考虑与近壁面流体速度梯度相关的滑移边界条件,以及与近壁面流体温度梯度相关的温度跳跃边界条件进行流动与传热计算,建立了微尺度计算模型,得到了结构层板与微小通道内的温度分布趋势,并与基于宏观尺度理论得到的分析结论进行了对比。（4）对层板交错孔隙珠状发汗的蒸发与燃烧速率进行了分析。应用双球坐标系解析计算了层板孔隙发汗结构出口处珠状发汗介质的蒸发、燃烧问题,探讨了在层板发汗孔隙密集结构中,发汗液珠的蒸发、燃烧速率与发汗孔隙相邻距离、孔隙大小以及环境温度、发汗介质的物性等之间的关系,得到两个相互作用的任意大小发汗液珠的分子扩散组分分布解析解,计算了发汗液珠在不同条件下的蒸发和燃烧速率变化规律。（5）研究了层板交错分层发汗缝隙结构中的发汗介质流动和燃烧特性,为指导相关的混合器和燃烧装置方面的设计工作提供理论基础和设计参考。为探讨层板微缝交错发汗喷注混合和燃烧机理,选用不同种流体作为发汗介质,经过层板微缝交错发汗喷注结构后进行混合或燃烧,建立了流体混合或燃烧的层板交错发汗缝隙结构的计算模型,得到了层板交错发汗缝隙结构内发汗流体的流动、组分分布、温度分布、表面的火焰特性、壁面热流流强等特征。（6）对典型层板发汗冷却的结构层板进行热力耦合特性研究及试验验证。针对结构层板的热皱损问题,对层板温度、板厚、缝隙宽度与挠曲临界压应力的关系做出了计算分析。采用伽辽金法通过一个严格满足几何边界条件和静力边界条件的屈曲试函数得到了散布流动区层板非均匀受热皱损的解析解;采用有限元法对不同厚度层板的受热变形及小扰动作用下的稳定性、对不同散布流道的高度以及不同夹筋条宽度条件下的层板受热变形等进行了分析;通过由薄膜加热片、V型槽夹具等构成的热皱损试验验证系统对层板热皱损静力分析方法进行了验证。（7）进行了层板发汗冷却分析方法的应用探讨。针对层板发汗冷却装置由许多相同或相似结构组成的特殊性,采用层板发汗冷却单元参数变量化的方法进行自动化设计;基于层板发汗冷却技术,将层板交错孔隙珠状发汗特性分析以及层板分层交错发汗缝隙结构分析等在流体混合机理研究以及交错发汗喷注燃烧研究中进行了应用,对层板式交错发汗混合与燃烧装置的研究提供了设计依据与理论支撑。
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